桩－土－基础共同作用分析方法在高低层建筑地基基础优化中的应用

　　摘 要：为了优化桩基设计方案，近年来，在桩基设计中普遍采取变刚度调平的设计理念。本文介绍了采用自行研制开发的PSFIA（桩－土－基础共同作用）分析技术的基本原理，该方法可以预估各种桩基方案下建筑物整体的沉降以及差异沉降，在满足设计要求以及各级规范的前提下，能够较好的比选出更为优化的桩基方案，减少差异沉降，从而降低基础内力，获得了较好的经济效益。 以北京地区某高低层建筑为例，通过PSFIA方法进行不同方案的桩－土－基础的协同沉降计算对比分析，从而合理调整基桩布置，使其桩和筏板受力更加合理有效，并将沉降和差异沉降控制在控制值之内，从而使设计方案具有明显的经济效益、环境效益和社会效益。
　　关键词：PSFIA方法；桩基；共同作用分析；变刚度调平设计；协同沉降计算；差异沉降

　　1 引言
　　近年来，由于建筑功能需要,高层建筑经常和低层裙房相毗邻，地下部分则有更大面积的纯地下室,同时,高层主楼、裙房及纯地下室往往都座落在同一基础底盘上。对于地基基础而言，这种情况往往造成地基沉降的差异,而差异沉降是导致基础内力和上部结构次应力增大、板厚增加、配筋增多的根源。因此，采取有效实际的设计方案可以达到减小沉降差异的目的，进而减小基础内力，大幅度节约成本，节省工期，这已成为现在设计方案的主要考虑之一。目前采用一般的数值分析方法，由于缺乏针对地区工程地质条件、结构设计条件、实测沉降成果的系统研究，使其计算结果往往和实际差别较大。
　　本文介绍了自行研制开发的PSFIA（桩－土－基础共同作用）分析技术的基本原理，该方法可以预估各种桩基方案下建筑物整体的沉降以及差异沉降，在满足设计要求以及各级规范的前提下，能够较好的比选出更为优化的桩基方案，减少差异沉降，从而降低基础内力，获得了较好的经济效益。 以北京地区某高低层建筑为例，通过PSFIA方法进行不同方案的桩－土－基础的协同沉降计算对比分析，从而合理调整基桩布置，使其桩和筏板受力更加合理有效，并将沉降和差异沉降控制在控制值之内，从而使设计方案具有明显的经济效益、环境效益和社会效益。
　　2 桩、土和基础共同作用分析方法
　　基础设计时，宜进行上部结构—承台—桩土共同作用计算分析，据此确定沉降分布、桩土反力分布及承台内力，通过调整布桩方案比对差异沉降的变化，进一步优化布桩，并确定基础内力与配筋。通过共同作用分析，可以提高基础设计的经济性。
　　2.1 PSFIA方法的基本原理
　　PSIA方法是根据建筑物基础形式，采用梁板有限元法建立反映基础作用荷载和位移关系的基础刚度矩阵，根据各计算节点的地层情况，按照布辛奈斯克（Boussinesq）和明德林（Mindlin）应力假设，采用分层总和法建立起地基柔度矩阵，从而列出地基沉降与基底反力的关系式。按照地基与基础共同作用的原理，假设在各节点处基础与地基的变形协调一致，由此获得以节点位移为未知数的协调方程，采用非耦合逐次逼近法求解节点位移，然后计算出各单元节点内力及基底反力。[1]
　　2.2 PSFIA方法的特点
　　（1）本方法采用地基－基础－桩共同作用的分析原理，考虑桩－土－基础（承台）的变形协调，因此所得的沉降分布比一般常规方法（例如“等代墩基法”或“修正的等代墩基法”）所计算的沉降接近实际。特别在建筑物采用不同的基础类型，其刚度变化很大时，能反映不同类型基础对沉降调整能力的差异，有利于基础方案的合理选择；
　　（2）本方法考虑了荷载分布、地基土层变化、基础刚度调整、群桩效应等诸多因素的影响，故能够计算各种复杂桩基、天然地基或二者同时采用的工程，所获得的沉降分析结果能较好地反映工程的实际沉降分布；
　　（3）采用增量法分多个荷载阶段计算，可反映在不同荷载阶段时地基土的变形差异，还可模拟高层主楼与周围裙房之间所设置的沉降后浇带浇灌前后基础刚度的变化反映后浇缝对高低层建筑变形与整体内力的影响，从而可判断设置沉降后浇带的必要性以及浇灌时间；
　　（4）为了使分析具有一定的可靠性，不仅进行了有针对性的大型群桩测试，还搜集了大量的高层建筑物（包括天然地基和桩基工程）沉降实测资料进行“反演”，获取相关的经验参数。除此以外，通过实际工程观测的验证，证明采用本方法估算的沉降分布情况与实际较为接近，可作为基础设计依据。
　　3 工程应用
　　3.1 工程概况
　　燕翔饭店地下结构为四层（局部三层），地上由首旅大厦、诺金饭店及裙房组成。诺金饭店及裙房之间通过防震缝分开，首旅大厦、诺金饭店及裙房在地面以上为三个独立的结构单元。诺金饭店地上二十五层(含设备层)，结构高度为98.39 m；；诺金饭店裙房为三层，结构房屋高度为：18.100m；首旅大厦地上二十八层结构高度为114.49m（不包括局部突出屋面部分）。抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2g；设计地震分组：第一组，场地类别为Ⅲ类，特征周期0.45s,地基基础设计等级为甲级。
　　3.2 工程地质条件
　　拟建场地自然地面标高除局部为32.18m（原建筑拆除）外，其它部位约36.27m (35.13～36.81m)。基底以下为第四纪沉积层，地层岩性及分布的详细情况详见“基底以下地层岩性及分布表”。